广告

集成式收发器支持实现小型相控阵雷达平台

2020-04-09 Mike Jones、Peter Delos;ADI公司 阅读:
最近出现一种利用集成收发器的方法,它将许多曾经被认为完全不同的功能融合到单个IC之中。这些IC助力实现了小尺寸、低功耗和低成本、具有高通道数量的相控阵雷达系统,且上市时间更短。

相控阵雷达系统利用多个发射和接收通道来实现正常运行。以前,这些平台在构造时都使用独立的发射和接收集成电路(IC)。这些系统在发射(Tx)电路的数模转换器(DAC)和接收(Rx)电路的模数转换器(ADC)中分别使用单独的芯片。这种区分使得许多系统尺寸庞大、成本高昂且功耗高,如此才能获得所需的通道数量,进而发挥所需的功能。由于制造和校准过程复杂,这些系统通常也需要很长时间才能上市。但是,最近出现一种利用集成收发器的方法,它将许多曾经被认为完全不同的功能融合到单个IC之中。这些IC助力实现了小尺寸、低功耗和低成本、具有高通道数量的相控阵雷达系统,且上市时间更短。Jgfednc

集成式收发器简介

集成式收发器(例如图1所示的收发器)将多种功能集成到单个IC上。例如,新型收发器将DAC、ADC、本振(LO)频率合成器、微处理器、混频器,以及更多功能集成到12 mm × 12 mm单芯片产品中。此外,该产品还集成了两个接收通道和两个发射通道,以及多个数字信号处理(DSP)组件,以获得系统所需的瞬时带宽。还提供一个应用程序接口(API),用于操作客户平台上的收发器。可以利用片内前端网络实现增益和衰减控制。内置的初始化和跟踪校准例程用于提供许多通信和军事应用所需的性能。Jgfednc

Jgfednc

图1.ADRV9009是将多种功能集成到单个IC中的集成式收发器示例。Jgfednc

这些集成式收发器能够通过注入一个称为REF_CLK的参考时钟信号来创建发射器和接收器所需的所有时钟信号。然后,由片内锁相环(PLL)合成DAC/ADC采样、LO生成和微处理器时钟所需的所有时钟。如果内部LO相位噪声不足以满足客户的应用需求,用户可以选择注入自己的低相位噪声外部LO。Jgfednc

来自部件的数据经由标准化的JESD204b多千兆串行数据接口进行卸载。这个接口支持同时接收和传输大量数据。新集成式收发器解决方案可以帮助提供接口IP,帮助客户加快上市时间。如果需要确定性延迟和数据同步,用户可以利用内置的多芯片同步(MCS)特性,并发出SYS_REF信号作为初始通道对齐序列(ILAS)的主时序基准。1Jgfednc

此外,可以利用内置的RFPLL相位同步特性,将发射或接收通道的LO相位设置为相对于主参考相位具备确定性。通过利用MCS和RFPLL相位同步特性,可以在初始化部件、频率调谐,或者开关软件上的无线电时复制相位对齐。图2显示了一个新型集成式收发器示例,该收发器提供决定性相位,且支持所有这些特性。Jgfednc

Jgfednc

图2.内置RFPLL相位同步特性让系统与主参考源之间呈确定性相位关系。Jgfednc

Jgfednc

图3.可使用多个集成式收发器来增加系统的通道数量。Jgfednc

使用多个集成式收发器

如果系统需要两个以上接收器和两个发射器,用户仍然能使用多个集成式收发器,从因为单芯片接收和发射通道实现的小尺寸中获益。该技术的示例如图3所示。可以通过使用并发型SYS_REF脉冲来同时触发所有IC的内部分压器,从而同步多个集成式收发器。这些SYS_REF脉冲可由时钟芯片或基带处理器发出,附带可编程延迟,该延迟是造成各IC之间的路径长度不匹配的原因。跨多个芯片的数据路径和多个LO都可以是确定性的。Jgfednc

集成式收发器是支撑相控阵雷达平台的中坚力量

通过使用同步集成式收发器来增加通道数量,让这些器件成为支撑相控阵雷达平台的中坚力量。结合相位和幅度对齐的发射和接收通道时,使用多个集成式收发器可以展示系统级的动态范围、杂散和相位噪声改善。Jgfednc

片内DSP特性,例如数控振荡器(NCO)和数字上变频器,或者数字下变频器(DDC),现在支持在单个IC内采用系统级杂散去相关方法。2Jgfednc

通过使用多个集成式收发器来组合收发器通道,用于展示系统级噪声谱密度(NSD)和杂散性能都得到改善。此举通过降低系统的有效本底噪声,同时维持通道的全部功能来改善相控阵雷达系统的动态范围。图4显示了在集成多达8个集成式收发器接收通道,有效增加相控阵系统中的位数之后,得出的系统级测量结果。注意,从一个通道增加到八个通道时,NSD和计算得出的本底噪声(在各图中用红线表示)将增加6 dB。这是因为,虽然总共有8个通道,但是在用于创建这8个通道的4个集成式收发器中,只存在4个不同且不相关的LO(也就是说,NLO = 4)。Jgfednc

因此实现了如下改善Jgfednc

Jgfednc

得出的结果与集成式收发器提供的实验性结果相近。此外,多余的成像频率以不相关的方式聚合汇总,实现系统级杂散性能改善。随着通道数量增加,性能会实现进一步改善,从而实现可扩展的系统。Jgfednc

Jgfednc

图4.使用ADRV9009集成式收发器来集成接收通道可以降低噪声谱密度,并改善动态范围。Jgfednc

此外,在对齐相位和集成多个集成式收发器通道之后,相控阵系统的相位噪声可以得到改善。从图5最上方的三条曲线显示的测量结果可以看出,在利用4个集成式收发器IC的内部LO组合8个通道之后,相位噪声性能得到了改善。再重复一遍,存在4个不同且不相关的LO(也就是说,NLO = 4)时,当从1个发射通道增加为8个发射通道时,相位噪声会增加6 dB。增加通道数量可以进一步增加相控阵雷达系统的相位噪声。或者,可以将外部LO注入到由NTRx集成式收发器构成的每个子阵列中,并从子阵列层级改善初始相位噪声(如图5中的蓝色曲线所示)。但是,如此一来,该子阵列中的各元件因为都共用同一个LO源,就会互相关联,所以无法自行在子阵列中提供通道聚合改善。对于图5所示的外部LO相位噪声数据,其中使用了一个Rohde & Schwarz SMA100B信号发生器作为外部LO源。Jgfednc

Jgfednc

Jgfednc

图5.使用内部LO时,集成多个ADRV9009的发射通道可以改善系统级相位噪声性能。Jgfednc

注入外部LO会改善子阵列的初始相位噪声。Jgfednc

Jgfednc

图6.DSP特性现在可以利用片内NCO和DDC/DUC实现数字相移。Jgfednc

增加通道数量,优化相移会使集成式收发器形成宽度变窄的波束。Jgfednc

集成的DSP特性(例如NCO、数字移相器和DUC/DDC)允许在数字域内实施基带相移和频率位移,进而允许在基于多通道、集成式收发器的相控阵雷达系统中实施数字波束成型。将多个功能集成到单个IC上之后,系统现在能够在许多相关的相控阵应用中,利用集成式收发器实现天线点阵间隔。利用更多收发器来增加通道数量一般可以让波束变窄,但会导致系统变大。但是,现在将多个功能集成到单个IC之后,系统变大的比例还是要小于过去。使用MATLAB®模拟辐射图之后,图6显示通道数量从N = 23增加到N = 210时,波束如何变窄,理论波瓣幅度如何变深。实际的功率零点将在天线设计中表明。 结论Jgfednc

在单个IC中集成多个数字和模拟功能可以实现更小型的相控阵雷达系统。这些系统支持实施数字波束成型和混合波束成型,具体取决于系统规格。已经证明使用ADI公司提供的ADRV9009可以实现系统级性能改善。这些集成式器件让许多新系统能够使用相同的硬件来运行多个应用。Jgfednc

参考资料Jgfednc

  1. Harris, J. 什么是JESD204标准,为什么我们要重视它?ADI公司技术文章,MS-2374,1-4。2013年10月。
  2. Delos, P.、Jones, M.、Robertson, M. RF收发器支持在数字波束成型相控阵内实施强制杂散去相关。ADI公司技术文章。2018年8月。

作者简介Jgfednc

Mike Jones是ADI公司航空航天和防务部的首席电气设计工程师,在美国北卡罗来纳州格林斯博罗工作。他于2016年加入ADI公司。从2007年到2016年,他在北卡罗来纳州威尔明顿的通用电气公司工作,担任微波光子学设计工程师,致力于研发核工业微波和光学解决方案。他于2004年获得北卡罗来纳州立大学电气工程学士学位和计算机工程学士学位,2006年获得北卡罗来纳州立大学电气工程硕士学位。Jgfednc

Peter Delos是ADI公司航空航天和防务部的技术主管,在美国北卡罗莱纳州格林斯博罗工作。他于1990年获得美国弗吉尼亚理工大学电气工程学士学位,并于2004年获得美国新泽西理工学院电气工程硕士学位。Peter拥有超过25年的行业经验。其职业生涯的大部分时间花在高级RF/模拟系统的架构、PWB和IC设计上。他目前专注于面向相控阵应用的高性能接收器、波形发生器和频率合成器设计的小型化工作。Jgfednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:艾为触觉反馈驱动AW AW86224是一款具有F0检测与追踪,内置SRAM波形空间,低功耗、小尺寸的常压线性马达驱动IC
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:数字隔离器Pai122M3 荣湃数字隔离器产品采用自主知识产权的智能分压技术开发设计而成,相比同类隔离产品,该专利技术可以实现更低的功耗,更高的速率和更优的时序特性。智能分压技术相比传统隔离传输技术,采用更简洁的电路架构实现更优的隔离传输性能,采用智能分压锁存放大模块电路,替代传统架构中的高频发生电路,高频调制电路和高频解调三部分电路,因此芯片面积只有传统架构芯片面积的1/2~1/3。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:PD Sink/快充受电端 慧能泰HUSB238采用极简的USB PD Sink解决方案,旨在将传统的桶形连接器和DC插座轻松的替换成现在最流行的USB Type-C接口。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:次级控制反激PWM控 SC300x系列产品为次级控制反激PWM控制器,支持CCM/QR/DCM工作模式,其具备自适应开关频率折返功能,在整个负载的范围内获得更高的效率;IC集成自适应过流保护功能,可满足LPS(Limited Power Source)要求;各项性能均领先于同行业。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:基于CMOS+MEMS技术 以下5项维度,向电子工程师和评审专家详细介绍中科银河芯的温湿度传感器芯片产品的技术创新情况。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:多模无线连接智能语 BL606P是博流即将推出的新产品,具有以下特点:单天线集成WI-FI、BLE、BT、Zigbee、Thread等多模无线协议,其集成度属于行业首款;集成双核RISC-V,集成AI语音以及麦克风阵列语音Codec,以及支持彩屏显示;支持最新的Matter协议,包括设备和网关
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:炬芯科技蓝牙收发一 炬芯科技ATS2831采用蓝牙5.3双模配置,支持最新的蓝牙标准,集成了蓝牙射频(RF)和基带、电源管理单元(PMU)、音频编解码器及微控制单元(MCU)等模块,集蓝牙发射和蓝牙接收功能于一体,规格完整,性能领先。发射支持双连(同时连接两个蓝牙音箱或蓝牙耳机),支持linein、USB 、SPDIF(光纤或同轴)、I2S、MIC、SD/MMC、SPI等多种音频输入源,支持全格式音频解码,支持屏显,兼容市面主流蓝牙音箱和蓝牙耳机,支持AG 16K高清通话,兼容win7/10/MAC等多种主流操作系统和主流通话软件,HFP通话端到端(dongle到音箱整个链路)延时低至60ms,经典蓝牙模式下端到端整个链路延时可以低至30ms以下,处于业界领先水平。支持双向高清语音同时传输。已大量应用于蓝牙收发一体dongle,电竞耳机,游戏机dongle,会议音箱dongle,话务耳机dongle和无线麦克风相关产品,并被绿联,安可创新等知名品牌采用。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:炬芯科技蓝牙耳穿戴 ATS3019E支持蓝牙5.3双模配置,发射功率最高达11dBm,接收灵敏度-96dBm,有效地提升了音频连接的稳定性。在常规音频播放的情况下空载功耗低至5.xmA,同时支持低延时模式。ATS3019E搭载双麦ENC算法(环境噪声消除技术),大幅提升了终端用户的通话体验。是目前市场上针对品牌客户标准版产品具有竞争力的解决方案。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:射频前端芯片模块AT 自主设计的UWB射频前端芯片可为客户大量节省开发时间和成本,混频器芯片已经在小基站实现国产替换;WiFi 6射频前端芯片已经流片,实现量产,助力客户实现国产替代。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:炬芯科技智能手表芯 炬芯科技智能手表ATS3085,是一颗高集成度的芯片。基于MCU+DSP的双核异构的架构,并加入图形加速引擎、Sensorhub模块、蓝牙射频(RF)和基带、电源管理单元(PMU)、音频编解码器、屏和传感器外设接口模块等,为智能手表量身打造。单颗芯片实现驱动显示屏,运行运动健康算法,蓝牙通话,本地解码,蓝牙推歌到TWS耳机等功能。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:Wi-Fi6+蓝牙物联网 ASR595X是一款低功耗、高性能、高度集成的IOT WiFi6 SoC 芯片。该芯片集成了 RF收发器,RISC-V MCU,多种外设接口,AOA/AOD,实时计数器(RTC)和完整的电源管理模块。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:支持BLE5.1的AoA定 MG223是低功耗、低成本的BLE发射器,内部集成了发射机、GFSK调制解调器和BLE基带处理。MG223采用MSOP10封装,只需搭配低成本MCU和少数外围被动器件,即可实现BLE广播、Beacon发射器,温湿度传感器,蓝牙电子秤,物流跟踪标签,遥控器,运动器材等应用。电源电压2.0V-3.6V,可以采用一个纽扣电池(3.0V)供电。0.2uA待机电流,14.5Ma@0dBm持续发射。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了